Šviesa (fizika): kas tai yra ir kaip tai veikia?

Suprasti elektromagnetinės spinduliuotės (šviesos) dalelių ir bangų dvilypumą yra labai svarbu norint suprasti kvantinę teoriją ir kitus reiškinius, taip pat šviesos pobūdį. Vienas didžiausių mokslo pokyčių praėjusiame amžiuje buvo atradimas, kad labai maži daiktai nepakluso toms pačioms taisyklėms, kaip ir kasdieniai daiktai.

Paprasčiau tariant, elektromagnetinės bangos yra tiesiog žinomos kaip šviesa, nors terminas „šviesa“ kartais naudojamas apibūdinant matomą šviesą (tai, ką gali aptikti akis), o kiti laikai dažniausiai naudojami visoms elektromagnetinėms formoms nurodyti radiacija.

Norint visiškai suprasti elektromagnetines bangas, svarbu suprasti lauko sąvoką ir elektros bei magnetizmo santykį. Tai bus išsamiau paaiškinta kitame skyriuje, tačiau iš esmės elektromagnetinės bangos (šviesos bangos) susideda iš elektrinio lauko bangos, svyruojančios plokštumoje, statmenoje (stačiu kampu) magnetiniam laukui banga.

Jei elektromagnetinė spinduliuotė veikia kaip banga, tai bet kuri konkreti elektromagnetinė banga turės su ja susijusį dažnį ir bangos ilgį. Dažnis yra virpesių per sekundę skaičius, matuojamas hercais (Hz), kur 1 Hz = 1 / s. Bangos ilgis yra atstumas tarp bangų keterų. Dažnio ir bangos ilgio sandauga suteikia bangos greitį, kuris šviesai vakuume yra maždaug 3 × 10

Skirtingai nuo daugumos bangų (pavyzdžiui, garso bangų), elektromagnetinėms bangoms nereikia terpės, per kurią patekti sklinda ir todėl gali įveikti tuščios erdvės vakuumą, kurį jie daro šviesos greičiu - greičiausias greitis visata!

Lauką galima laikyti nematomu vektorių masyvu, po vieną kiekviename erdvės taške nurodant santykinį jėgos, kurią objektas jaustųsi tame taške, dydį ir kryptį. Pavyzdžiui, gravitacijos laukas šalia žemės paviršiaus susidarytų iš vektoriaus, esančio kiekviename kosmoso taške, nukreipto tiesiai į žemės centrą. Tame pačiame aukštyje visi šie vektoriai būtų vienodo dydžio.

Jei masė būtų dedama į tam tikrą tašką, gravitacinė jėga, kurią ji jaučia, priklausytų nuo jos masės ir lauko lauko vertės. Elektriniai laukai ir magnetiniai laukai veikia taip pat, išskyrus tai, kad vietoj jo masės jie veikia jėgas, priklausomas nuo objekto krūvio ir magnetinio momento.

Elektrinis laukas atsiranda tiesiogiai dėl krūvių buvimo, kaip ir gravitacijos laukas tiesiogiai dėl masės. Tačiau magnetizmo šaltinis yra judantis krūvis (arba lygiavertis elektrinių laukų keitimas).

1860-aisiais fizikas Jamesas Clerkas Maxwellas sukūrė keturių lygčių rinkinį, kuris visiškai apibūdino elektros ir magnetizmo santykį. Šios lygtys iš esmės parodė, kaip elektriniai laukai generuojami krūvių, kaip nėra pagrindinių magnetinių monopolių kintantys magnetiniai laukai gali generuoti elektrinį lauką ir tai, kaip srovė ar kintantys elektriniai laukai gali generuoti magnetinį laukai.

Netrukus po šių lygčių išvedimo buvo rastas sprendimas, apibūdinantis savaime plintančią elektromagnetinę bangą. Buvo numatyta, kad ši banga judės šviesos greičiu ir iš tikrųjų pasirodė esanti lengva!

Elektromagnetinės bangos gali būti įvairių bangos ilgių ir dažnių, jei tam tikros bangos bangos ilgio ir dažnio sandauga lygic, šviesos greitis. Elektromagnetinės spinduliuotės formos apima (nuo ilgesnio bangos ilgio / mažos energijos iki trumpesnio bangos ilgio / didelės energijos):

• Radijo bangos (0,187 m - 600 m)
• Mikrobangų krosnelės (1 mm - 187 mm)
• Infraraudonųjų spindulių bangos (750 nm - 1 mm)
• Matoma šviesa (400 nm - 750 nm; šiuos bangos ilgius gali aptikti žmogaus akis ir dažnai suskirstyti į matomą spektrą)
• Ultravioletinė šviesa (10 nm - 400 nm)
• Rentgeno spinduliai (10^-12 m - 10 nm)
• Gama spinduliai (<10^-12 m)

Fotonai yra kiekybinių šviesos dalelių arba elektromagnetinės spinduliuotės pavadinimas. Albertas Einšteinas 20 amžiaus pradžioje pristatė šviesos kvantų (fotonų) sąvoką.

Fotonai yra be masės ir jie nesilaiko skaičių išsaugojimo dėsnių (tai reiškia, kad juos galima sukurti ir sunaikinti). Tačiau jie paklūsta energijos taupymui.

Tiesą sakant, fotonai laikomi dalelių, kurios yra jėgos nešėjos, klase. Fotonas yra elektromagnetinės jėgos tarpininkas ir veikia kaip energijos paketas, kurį galima perduoti iš vienos vietos į kitą.

Jūs tikriausiai galvojate, kad gana keista staiga kalbėti apie elektromagnetines bangas kaip apie daleles, nes bangos ir dalelės atrodo kaip dvi iš esmės skirtingos konstrukcijos. Iš tiesų, būtent dėl ​​tokio dalyko labai keista yra labai mažų fizika. Kituose skyriuose kvantavimo ir dalelių-bangų dvilypumo sampratos aptariamos išsamiau.

Elektromagnetinės bangos atsiranda dėl elektros ir magnetinio lauko svyravimų. Jei krūvis juda pirmyn ir atgal laidu, tai sukuria kintantį elektrinį lauką, kuris savo ruožtu sukuria kintantį magnetinį lauką, kuris paskui savaime plinta.

Atomai ir molekulės, kuriose yra judantis krūvis elektronų debesų pavidalu, gali įdomiai bendrauti su elektromagnetine spinduliuote. Atome elektronams leidžiama egzistuoti tik esant labai specifinėms kiekybiškai išreikštoms energijos būsenoms.

Jei elektronas nori būti žemesnės energijos būsenoje, tai gali padaryti išskirdamas atskirą elektromagnetinės spinduliuotės paketą energijai perduoti. Ir atvirkščiai, kad pereitų į kitą energijos būseną, tas pats elektronas taip pat turi sugerti labai specifinį atskirą energijos paketą.

Su elektromagnetine banga susijusi energija priklauso nuo bangos dažnio. Atomai gali absorbuoti ir skleisti tik labai specifinius elektromagnetinės spinduliuotės dažnius, atitinkančius jų kiekybinius energijos lygius. Šie energijos paketai vadinamifotonai​.

​Kvantavimasreiškia, kad kažkas ribojamas atskiromis vertėmis, palyginti su tęstiniu spektru. Kai atomai sugeria arba išskiria vieną fotoną, jie tai daro tik esant labai specifinėms kvantinės mechanikos aprašytoms kiekybinėms energijos vertėms. Šis „vienas fotonas“ iš tikrųjų gali būti laikomas diskrečiosios bangos „paketu“.

Energijos kiekį galima išskirti tik elementaro vieneto kartotiniais (Plancko konstantah). Lygtis, kuri sieja energijąEfotono dažnis yra:

Kurν(graikų raidė nu) yra fotono dažnis ir Plancko konstantah​ = 6.62607015 × 10^-34 Js.

Išgirsite, kaip žmonės naudoja žodžiusfotonasirelektromagnetinė radiacijanors ir atrodo, kad tai skirtingi dalykai. Kalbėdami apie fotonus, žmonės paprastai kalba apie šio reiškinio dalelių savybes, kadangi kalbėdami apie elektromagnetines bangas ar radiaciją, jie kalba su bangų bangomis savybės.

Fotonai arba elektromagnetinė spinduliuotė rodo vadinamąjį dalelių-bangų dvilypumą. Tam tikrose situacijose ir atliekant tam tikrus eksperimentus fotonai elgiasi panašiai kaip dalelės. Vienas to pavyzdžių yra fotoelektrinis efektas, kai šviesos pluoštas, atsitrenkęs į paviršių, sukelia elektronų išsiskyrimą. Šio efekto specifika gali būti suprantama tik tuo atveju, jei šviesa traktuojama kaip atskiri paketai, kuriuos elektronai turi sugerti, kad būtų išskirti.

Kitose situacijose ir eksperimentuose jie veikia labiau kaip bangos. Puikus to pavyzdys yra trukdžių modeliai, pastebėti atliekant vieno ar kelių plyšių eksperimentus. Šių eksperimentų metu šviesa sklinda siaurais, glaudžiai išdėstytais plyšiais, kurie veikia kaip daugybiniai etapai šviesos šaltinių, ir dėl to jis sukuria trukdžių modelį, atitinkantį tai, ką matytumėte a banga.

Dar keisčiau, kad fotonai nėra vienintelis dalykas, kuris demonstruoja šį dvilypumą. Iš tiesų visos pagrindinės dalelės, net ir elektronai bei protonai, atrodo taip elgiasi. Kuo didesnė dalelė, tuo trumpesnis jos bangos ilgis, tuo mažiau atsiras šis dvilypumas. Štai kodėl kasdienybėje nieko panašaus nepastebite.